鞏永銳 李忠恒 周麗梅 羅廖莉

摘要： 針對(duì)三種現(xiàn)行不同版本的教材以及文獻(xiàn)報(bào)道中銅與濃硫酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置的不足，提出新的改進(jìn)方案。采用自制帶平臺(tái)的直角玻璃管、B型磁力攪拌子、磁環(huán)、注射器、球形干燥管、單連打氣球等常見器材對(duì)該實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置具有反應(yīng)可控、倒吸可防、污染可除、現(xiàn)象明顯、富有趣味等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 銅與濃硫酸的反應(yīng); 一體化設(shè)計(jì); 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)： 10056629（2022）06006804

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 教材實(shí)驗(yàn)分析

銅與濃硫酸的反應(yīng)是體現(xiàn)濃硫酸具有強(qiáng)氧化性的代表性實(shí)驗(yàn)。比較現(xiàn)行三套高中化學(xué)教材，發(fā)現(xiàn)銅與濃硫酸反應(yīng)裝置的設(shè)計(jì)各有千秋，但在實(shí)驗(yàn)過程中均存在一些不足之處。下面對(duì)教材中該反應(yīng)裝置的設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

1.1 人教版（新版）教材

人教版2019年（新版）教材中實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示[1]。該方案在舊版教材的基礎(chǔ)上新增了盛有石蕊溶液的試管，同時(shí)加了浸有氫氧化鈉溶液的棉團(tuán)用于尾氣處理。整個(gè)裝置簡(jiǎn)易，操作方便，但仍存在以下不足之處：

（1） 銅絲由膠塞側(cè)面挖的凹槽伸入試管中，在拉動(dòng)銅絲的過程中摩擦力很大，有可能會(huì)損壞試管或拉出膠塞，操作不便。

（2） 新版教材新增了尾氣處理裝置，但是浸有NaOH溶液的棉團(tuán)不能將產(chǎn)生的SO2氣體全部吸收，拆除裝置后裝置內(nèi)部殘存的SO2仍然會(huì)污染環(huán)境。

（3） 由于濃硫酸的吸水性強(qiáng)于硫酸銅，反應(yīng)后產(chǎn)生的CuSO4以白色固體形式留于試管底部，不易出現(xiàn)藍(lán)色溶液。將試管內(nèi)的物質(zhì)倒入盛有水的另一試管則會(huì)導(dǎo)致裝置內(nèi)的SO2逸出造成污染。

（4） 由于無防倒吸裝置，溶液可能會(huì)倒吸到灼熱的試管中，存在安全隱患。

1.2 滬科版教材

滬科版教材中實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示[2]。該方案利用抽氣裝置解決溶液倒吸引發(fā)的安全問題，儀器組裝簡(jiǎn)易，并用NaOH溶液進(jìn)行尾氣處理，但同樣存在些許不足之處：

（1） 使用銅片與濃硫酸進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)進(jìn)程無法控制。且銅片在升溫過程中會(huì)與濃硫酸反應(yīng)生成Cu2S、 CuS等黑色副產(chǎn)物，與理想的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有較大出入，解釋黑色固體生成的原因則會(huì)影響教學(xué)的時(shí)間，沖淡教學(xué)主題。

（2） 抽氣裝置較為復(fù)雜，部分基礎(chǔ)設(shè)施落后的學(xué)校不具備相應(yīng)的教學(xué)條件。

（3） 反應(yīng)后H2SO4溶液濃度很大，硫酸銅溶液顏色很淺，不易觀察。將反應(yīng)后的溶液倒入另一盛有少量水的燒杯中，溶液呈現(xiàn)明顯的藍(lán)色，但同時(shí)也會(huì)造成 SO2外逸污染環(huán)境。

1.3 蘇教版（新版）教材

蘇教版2020年（新版）教材中實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示[3]。該方案裝置簡(jiǎn)易，操作方便，但仍有以下不足之處：

（1）使用銅片與濃硫酸反應(yīng)，不能控制反應(yīng)的進(jìn)程。

（2）缺少防倒吸裝置，品紅溶液容易倒流回加熱的試管中引發(fā)安全事故。

（3）銅片與濃硫酸在較低溫度下便開始反應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生Cu2S、 CuS等黑色副產(chǎn)物，同時(shí)生成的CuSO4溶液顏色很淡，不利于觀察。

2 對(duì)已有改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的述評(píng)

針對(duì)各教材中所設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置的不足之處，眾多化學(xué)教學(xué)工作者對(duì)該實(shí)驗(yàn)裝置從不同的角度進(jìn)行了改進(jìn)，其中具有代表性的有以下四類方案。

方案一： 如圖4所示實(shí)驗(yàn)裝置[4]。通過上下拉動(dòng)銅絲控制反應(yīng)進(jìn)程，帶止水夾的橡膠管與外界大氣相連，以平衡氣壓進(jìn)而避免溶液倒吸。但是，整個(gè)裝置較為復(fù)雜，且反應(yīng)后的CuSO4在高濃度的H2SO4中不易呈現(xiàn)明顯的藍(lán)色。雖然有尾氣處理裝置，但無法除盡裝置內(nèi)部殘留的SO2氣體。

方案二： 如圖5所示實(shí)驗(yàn)裝置[5]。通過條形磁鐵與鐵釘之間的吸引控制反應(yīng)的進(jìn)程，使用球形干燥管平衡氣壓解決了溶液倒吸的問題。用浸有品紅溶液的濾紙條代替品紅溶液，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)易化的同時(shí)減少了SO2氣體產(chǎn)生的量。裝置不足之處在于： （1）條形磁鐵過大且不能附著在試管外壁，操作不便;（2）鐵釘在高溫下暴露于酸霧中，導(dǎo)致鐵釘也會(huì)參與反應(yīng)，干擾實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象;（3）反應(yīng)結(jié)束后具支試管內(nèi)部殘留的SO2氣體無法被濃NaOH溶液吸收;（4）反應(yīng)生成的CuSO4在濃H2SO4中往往不易呈現(xiàn)明顯的藍(lán)色。

方案三： 如圖6所示實(shí)驗(yàn)裝置[6]。利用小磁鐵與封鐵玻璃管之間的引力控制反應(yīng)進(jìn)程，既保證裝置內(nèi)部的氣密性也增加了實(shí)驗(yàn)的趣味性。但是制作封鐵玻璃管的過程較為繁瑣，若密閉性不好，玻璃管內(nèi)部的鐵絲同樣會(huì)與濃硫酸發(fā)生反應(yīng)，并且用打氣筒鼓氣并不能排盡裝置內(nèi)部產(chǎn)生的SO2氣體。反應(yīng)結(jié)束待試管冷卻后將反應(yīng)液倒入盛有水的另一試管內(nèi)，才能明顯觀察到CuSO4溶液的藍(lán)色，操作復(fù)雜且SO2氣體會(huì)逸出污染環(huán)境。

方案四： 如圖7所示實(shí)驗(yàn)裝置[7]。將98%的濃硫酸稀釋為80%進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，反應(yīng)后更容易呈現(xiàn)硫酸銅溶液的藍(lán)色現(xiàn)象。將裝有品紅溶液和石蕊溶液的試管更換為品紅試紙和石蕊試紙，體現(xiàn)了試劑微量化的特點(diǎn)。消除了溶液倒吸的問題，同時(shí)連接洗耳球的導(dǎo)管伸入試管內(nèi)部，能較大程度地排除具支試管內(nèi)殘留的SO2氣體。不足之處在于蘸有氫氧化鈉溶液的脫脂棉對(duì)SO2氣體吸收能力有限，會(huì)有部分SO2氣體逸出造成環(huán)境污染。

3 銅與濃硫酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置的一體化新設(shè)計(jì)

基于對(duì)上述實(shí)驗(yàn)方案的分析，筆者決定取其精華，以自制的帶平臺(tái)的直角玻璃管為實(shí)驗(yàn)載體，將銅絲一端繞成螺旋狀，另一端纏繞于B型磁力攪拌子上，將纏繞銅絲后的B型磁力攪拌子放入玻璃管的直角一端，將磁環(huán)套在玻璃管外部。向玻璃管直角處加入5mL 98%的濃硫酸，用酒精燈在玻璃管直角處下端加熱。利用磁環(huán)對(duì)B型磁力攪拌子的吸力，上下拉動(dòng)磁環(huán)從而控制反應(yīng)的發(fā)生與停止。采用浸有品紅溶液和石蕊溶液的脫脂棉驗(yàn)證生成的SO2氣體并進(jìn)行其性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，減少了試劑的用量，引入球形干燥管則可有效防止溶液倒吸。實(shí)驗(yàn)結(jié)束，利用單連打氣球在左端鼓氣，排盡玻璃管內(nèi)產(chǎn)生的SO2氣體。待玻璃管冷卻后通過注射器向玻璃管內(nèi)注入適量蒸餾水，將反應(yīng)后生成的CuSO4溶液進(jìn)行稀釋，從而呈現(xiàn)更加明顯的藍(lán)色。筆者利用自制的帶平臺(tái)的直角玻璃管、B型磁力攪拌子、磁環(huán)、注射器、球形干燥管等實(shí)驗(yàn)器材，設(shè)計(jì)出一種反應(yīng)可控、倒吸可防、污染可除，同時(shí)具有趣味性、現(xiàn)象明顯、成功率高的實(shí)驗(yàn)裝置，從而更好地為高中化學(xué)教學(xué)服務(wù)。

3.1 儀器與藥品

儀器： 硬質(zhì)玻璃管、B型磁力攪拌子、磁環(huán)、鐵架臺(tái)（帶鐵夾）、單連打氣球、球形干燥管、膠頭滴管（2個(gè)）、橡膠塞（3個(gè)）、直角導(dǎo)管、5mL注射器、100mL燒杯、酒精燈、鑷子、酒精噴燈、火柴

藥品： 市售濃硫酸（98%）、銅絲（長(zhǎng)約20cm）、品紅溶液、石蕊溶液、飽和氫氧化鈉溶液、脫脂棉、蒸餾水

3.2 制作帶平臺(tái)的直角玻璃管

選一支長(zhǎng)約40cm、內(nèi)徑20mm、外徑24mm的硬質(zhì)玻璃管，用記號(hào)筆在其三等分點(diǎn)附近做好標(biāo)記。點(diǎn)燃酒精噴燈，用雙手水平握住玻璃導(dǎo)管的兩端，先用酒精噴燈在第一個(gè)三等分點(diǎn)附近均勻加熱，然后集中火焰加熱。加熱過程中注意要不停地朝一個(gè)方向勻速旋轉(zhuǎn)，使其受熱均勻。待玻璃管加熱至紅軟狀態(tài)時(shí)脫離火焰，然后水平向內(nèi)均勻用力，一次性彎成90°。待玻璃管冷卻后重復(fù)上述操作，將第二個(gè)三等分點(diǎn)反方向彎曲成120°，冷卻后帶平臺(tái)的直角玻璃管便制作完成了。

3.3 實(shí)驗(yàn)裝置圖

如圖8所示。

3.4 實(shí)驗(yàn)操作步驟

（1） 按圖8所示連接好實(shí)驗(yàn)裝置，檢查裝置的氣密性。

（2） 用膠頭滴管從左口向玻璃管直角處加入5mL 98%的濃硫酸，然后分別用品紅溶液和紫色石蕊溶液將兩團(tuán)脫脂棉潤(rùn)濕，用鑷子分別將浸有品紅溶液和紫色石蕊溶液的脫脂棉從左到右放到玻璃管內(nèi)的平臺(tái)上，二者相距4cm左右。

（3） 選取一段20cm長(zhǎng)的銅絲，上端纏繞于B型磁力攪拌子上，下端繞成螺旋狀，長(zhǎng)約3cm。將綁有銅絲的B型磁力攪拌子放于直角玻璃管左上部，將磁環(huán)放于玻璃管外部從而固定內(nèi)部銅絲的位置。

（4） 將帶有單連打氣球的橡膠塞塞進(jìn)直角玻璃管的左上口。將一根兩端帶有橡膠塞的直角導(dǎo)管的一端插入球形干燥管中，另一端插入平臺(tái)右端的玻璃管中。然后將球形干燥管伸入盛有飽和氫氧化鈉溶液的燒杯中。

（5） 點(diǎn)燃酒精燈，加熱濃硫酸至沸騰，斜向下推動(dòng)磁環(huán)使銅絲與濃硫酸接觸反應(yīng)，片刻后可觀察到浸有品紅溶液的脫脂棉褪色，浸有紫色石蕊溶液的脫脂棉變紅。此時(shí)向左上方拉動(dòng)磁環(huán)，反應(yīng)迅速停止。將燃著的酒精燈移動(dòng)至浸有品紅溶液的脫脂棉下面加熱，發(fā)現(xiàn)浸有品紅溶液的脫脂棉再次變紅，從而驗(yàn)證SO2氣體的漂白性具有不穩(wěn)定性。

（6） 待直角玻璃管冷卻后，用注射器吸取5mL的蒸餾水從左上角的橡膠塞插入，將蒸餾水注入直角玻璃管內(nèi)。稍加振蕩，即可出現(xiàn)非常明顯的藍(lán)色溶液，同時(shí)彎管內(nèi)部幾乎沒有黑色沉淀生成。

（7） 用單連打氣球從左上角向玻璃管內(nèi)部鼓氣，將裝置內(nèi)部殘留的SO2氣體全部排出被飽和氫氧化鈉溶液吸收。

3.5 一體化實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)點(diǎn)

（1） 將銅絲纏繞于B型磁力攪拌子上，通過磁環(huán)的吸力控制銅絲的位置進(jìn)而控制反應(yīng)的發(fā)生與停止。器材是實(shí)驗(yàn)室常見儀器，廉價(jià)易得，且B型磁力攪拌子呈圓柱帶節(jié)型，纏繞銅絲非常方便。攪拌子外部材質(zhì)為聚四氟乙烯，耐酸耐堿耐高溫，穩(wěn)定可靠。磁環(huán)由于與攪拌子因引力被牢牢吸附在玻璃管外壁，解放雙手的同時(shí)也增添了實(shí)驗(yàn)的趣味性。

（2） 實(shí)驗(yàn)主體裝置為帶平臺(tái)的直角玻璃管，易于加工，且可以反復(fù)使用，也可以推廣到其他實(shí)驗(yàn)中。整個(gè)裝置器材易得、組裝簡(jiǎn)易。不僅適用于教師演示實(shí)驗(yàn)，也適用于學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。

（3） 用浸有石蕊溶液和品紅溶液的脫脂棉代替盛有石蕊溶液和品紅溶液的試管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，減少了試劑的用量，同時(shí)增大了反應(yīng)的接觸面積，顏色變化更為明顯。

（4） 裝置冷卻后，用注射器向直角玻璃管內(nèi)部加入適量蒸餾水，將玻管底部生成的白色固體CuSO4轉(zhuǎn)化為藍(lán)色的CuSO4溶液。解決了許多改進(jìn)實(shí)驗(yàn)中藍(lán)色現(xiàn)象不明顯的問題。

（5） 反應(yīng)結(jié)束后，在左上方擠壓?jiǎn)芜B打氣球，使殘留的SO2氣體經(jīng)右邊平臺(tái)排出，可以最大程度地將整個(gè)裝置內(nèi)部的SO2氣體全部排盡，被飽和NaOH溶液吸收。解決了諸多改進(jìn)裝置進(jìn)氣口和出氣口都在同一位置，很難將產(chǎn)生的SO2氣體全部排盡的問題，符合環(huán)保理念。

（6） 球形干燥管的加入有效解決了溶液倒吸引發(fā)的安全問題。

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